作为炉衬使用的耐火材料在服役过程中,自身存在渐变温度场,温度及某些内在的化学反应使材料产生膨胀或收缩,不同部位相互约束产生热应力,当其大于材料本身强度时,将产生不同形式的破坏,但渐变温度场对未烧成耐火材料具有一定的利用价值。因此,本课题从热应力与热膨胀性能的关系出发,得出理想热膨胀性能曲线,对不同材质耐火材料的热膨胀性能进行了研究,并根据理想曲线确定研究主材质,确定以轧钢加热炉用粘土砖为研究对象,通过改变材料的成分与结构,研究其对热膨胀性能的影响,利用ANSYS有限元法分别对不同成分和不同结构的材料进行复合,分别形成成分梯度和结构梯度耐火材料,对复合前后的试样进行温度、应力的模拟分析研究。研究得出以下结论:(1)理想热膨胀系数随温度升高而减小,且曲线斜率不断减小;理想热膨胀率曲线近似一条水平直线。600 oC处理后,石英质、焦宝石质材料热膨胀系数随温度升高而减小,与理想曲线变化趋势一致;刚玉尖晶石质、高铝质、莫来石质、镁质耐火材料随温度升高先增大后减小,参考理想曲线变化趋势,确定焦宝石质材料为研究主材质。(2)利用成型压力形成的气孔率梯度较小,结构梯度DT1(高温面到低温面越来越致密)的应力小于DT2(高温面到低温面越来越疏松);DT1与成型压力为20 MPa的均一结构热应力相差不大。造孔剂法形成的气孔率梯度较大,结构梯度CT1(高温面到低温面越来越疏松)的应力小于CT2(高温面到低温面越来越致密);与均一结构相比,CT1最大应力值最小。(3)热应力随试样显气孔率的增大呈现先减小后增大的规律,导致出现(2)中的现象。主要原因如下:显气孔率在17.5~22.8%时,随试样显气孔率增大,气孔与裂纹一定程度上对试样热膨胀的吸收作用增强,进而减小材料内部热应力;显气孔率在23.5~31.8%时,随试样显气孔率增大,导热系数减小,内部温度梯度增大,由温度梯度产生的热应力增大,此外,材料高温热膨胀系数曲线斜率增大,膨胀或收缩不一致性加剧,相互约束,进而热应力增大。(4)莫来石的加入使试样热膨胀性能曲线与理想热膨胀性能曲线相差越来越大,不利于均一成分试样热应力的降低,且随加入量的增加而增大;与均一成分F0、F5、F10相比,莫来石成分梯度FT1(高温面到低温面莫来石含量递增)和FT2(高温面到低温面莫来石含量递减)均不利于热应力的降低。高温下红柱石的莫来石化形成微小裂纹,有利于试样热应力的降低,但加入量与最大应力值无明显关系;红柱石成分梯度HT2(高温面到低温面红柱石含量递减)与加入红柱石的均一成分试样最大应力值相差不大。(5)广西白泥的加入使试样高温阶段的热膨胀性能曲线不断向理想热膨胀性能曲线靠近,均一成分试样热应力不断减小;与均一成分试样相比,成分梯度NT2(高温面到低温面广西白泥含量递减)热应力显著降低,梯度结构NT2明显优于NT1(高温面到低温面广西白泥含量递增)。(6)本试验将基础理论研究、性能测试、材料设计结合起来,研究热膨胀性能与温度的变化关系,并通过对材料结构与组成的设计,对其在温度场下形成的渐变性能梯度进行优化;设计不同的结构梯度和成分梯度模型,并分别与均一结构和均一成分模型的应力场进行比较,得到有利于减小试样热应力的结构梯度和成分梯度。这对于我们制备低成本、高性能梯度耐火材料具有重要的研究意义,同时对进一步设计开发梯度耐火材料(物相梯度、结构梯度和组成梯度)及其现场应用具有指导意义。